安全壳过滤排放系统内部氢气风险研究

周　喆，蔡盟利，丁　超

安全壳过滤排放系统内部氢气风险研究

周喆1，蔡盟利1，丁超2,*

（1. 中国核电工程有限公司反应堆工艺研究所，北京 100840；2. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

安全壳过滤排放系统（CFVS）用于严重事故情况下排出安全壳内大气以防止安全壳超压失效。其排放气体中的水蒸气在经过CFVS的管道和容器时会发生冷凝，导致氢气和氧气浓度上升，有可能引发氢气燃烧或爆炸。为了评估“华龙一号”（HPR1000）核电站CFVS内的氢气风险，建立了反应堆与安全壳模型和详细的CFVS模型，选取典型的严重事故序列对事故后CFVS开启以及混合气体进入CFVS的浓度变化过程进行了计算，并根据夏皮罗图对CFVS内的氢气风险进行判断。计算考虑了堆腔注水冷却系统（CIS）有效和失效情况下不同的安全壳大气组分进入CFVS后的浓度变化，结果显示CFVS开启时前者的氢气大部分被复合，后者的氧气则被复合反应消耗，因此2种情况下都不会发生燃烧或爆炸。计算还分析了在安全壳内布置氢气复合器以及在CFVS中实施氮气覆盖这两种缓解措施的作用，计算表明不考虑缓解措施时，CFVS内的气体组分在夏皮罗图中进入了快燃或燃爆区。研究表明HPR1000在采用了上述的缓解措施情况下，其CFVS系统内部不会发生氢气爆燃风险。

“华龙一号”；过滤排放系统；氢气风险；夏皮罗图

核电历史上的三次重大核事故，三哩岛、切尔诺贝利和福岛核事故，引起了人们对于保护公众免受严重事故后果影响的关注增加，而核电站安全壳正是防止放射性产物释放到环境中的最后一道屏障。安全壳过滤排放系统（CFVS）设计目的是为了防止安全壳因超压失效导致放射性物质的不可控释放，并将潜在的巨大的不可控放射性释放替换为可控的过滤释放[1]。因此在福岛后，很多国家提出了为核电站加装过滤排放系统的改进措施[2]。

同时，由于福岛核事故时，3号机组产生的氢气通过共用的排风系统进入4号机组导致4号机组的反应堆厂房发生爆炸，也因此引起了各国对安全壳过滤排放系统内的氢气安全问题的关注，如果在CFVS内发生氢气爆炸将导致CFVS系统边界失效，安全壳内的放射性物质将通过CFVS系统失效边界造成不可控的大量释放。Xu Z.[3]、Xu Zhanjie[4]使用GASFLOW对排气系统在是否停电、是否注入蒸汽等情况下的氢气燃爆转变（DDT）风险进行了研究。Armando[5]利用MELCOR和GASFLOW程序分析了MARK II沸水堆在全厂断电（SBO）事故时排气系统内的DDT风险。Su Na Young[6,7]、Kim Hoe-Yeol[8]和Choi Gi Hyeon[9]分别使用MELCOR程序计算了OPR1000核电站SBO事故下通过CFVS时的氢气和水蒸气浓度变化，和CFVS不同压力下开启时的氢气风险。

本文对“华龙一号”核电站（HPR1000）的几种典型事故工况展开研究，分析了HPR1000在采取严重事故缓解对策后其CFVS内的氢气风险，分析考虑了堆腔注水冷却系统（CIS）有效和失效情况下不同的安全壳大气组分进入CFVS后的浓度变化，还考虑了在安全壳内布置氢气复合器以及在CFVS中实施氮气覆盖这两种缓解措施的作用。

1　CFVS内的氢气风险

1.1　氢气来源

CFVS的系统流程图如图1所示。CFVS通过位于安全壳内的进气口取气，在安全壳与环境之间的压力差作用下，将安全壳内的气体经过CFVS过滤后排入环境。进入CFVS的氢气是在严重事故过程中产生并释放到安全壳中，在CFVS开启后随着安全壳大气进入CFVS。安全壳内的氢气则主要来自于两个方面：

（1）压力容器内的金属材料被高温的水及水蒸气氧化（FCI）。在这个阶段，体现为如下两个过程：堆芯开始熔化之前的包壳氧化过程；堆芯熔融物流入下封头时，与下封头残留水的反应。

（2）压力容器外高温堆芯熔融物与堆腔混凝土相互作用（MCCI）。在这个阶段，下封头失效后，堆芯熔融物落入堆坑，与堆坑混凝土进行反应。

图1　CFVS系统流程图

1.2　氢气行为

安全壳内由水蒸气、氢气和空气组成的高温混合气体，在进入CFVS后，会与CFVS管道壁面发生热交换而使其中的水蒸气冷凝，也会被文丘里水洗器内的大量低温水冷却而发生水蒸气凝结，使混合气体中的水蒸气浓度下降，并导致其他气体（如氧气和氢气）浓度上升。

不同的事故序列，CFVS开启时进入CFVS的安全壳大气成分会有所区别，但大体可以分为2类：堆腔注水冷却系统（CIS）有效的情况下，此时安全壳压力上升较快，压力容器保持完整，氢气主要来自于压力容器内的锆水反应，CFVS系统开启时空气充足，氢气浓度相对较低，对CFVS内混合气体可燃性影响较大的是氢气浓度。CIS失效的情况下，安全壳压力上升较慢，压力容器不能保持完整，氢气主要来自于堆芯熔融物与堆坑内混凝土发生的MCCI反应，氧气在非能动氢气复合器（PAR）作用下与氢气反应而被消耗掉，CFVS系统开启时氧气浓度较低，氢气浓度较大，对混合气体可燃性影响较大的是氧气浓度。

1.3　氢气风险

氢气的燃烧状态可以分为慢燃、快燃和燃爆，而夏皮罗图（Shapiro）正是用于判断氢气燃烧风险的一种常用方法。国际上通常采用根据实验获得的夏皮罗图来描述安全壳内氢气燃烧状态的变化。在氢气浓度处于燃烧下限（4 vol%）至低于火焰传播边界（7～8 vol%）时，会发生慢燃，在氢浓度处于8～14 vol%时，会发生快燃，在氢浓度超过14 vol%后，可能会发生燃爆。

根据夏皮罗图，当氢气浓度低于氢气燃烧的氢气浓度下限（约 4%）或空气浓度低于氢气燃烧的空气浓度下限（约23%）时，气体组分在夏皮罗图中不会进入可燃区，即不存在氢气燃烧风险（见图2）。

图2　夏皮罗图

1.4　缓解措施

针对CFVS内的氢气风险，主要可以考虑2个方面的缓解措施：

（1）限制混合气体进入CFVS后的最大氢气浓度。布置在安全壳内的氢气复合器（PAR）能够通过催化氢气与氧气之间的反应，从而达到降低安全壳内的氢气浓度的目的。

（2）避免混合气体与空气中的氧气接触，可以通过氮气覆盖CFVS管道的方式实现[10]。

2　分析方法

2.1　分析模型

计算分2个阶段：

（1）利用MAAP程序建立华龙一号反应堆与安全壳模型，并使用简化的等效流道来模拟CFVS的排气过程，以此对各工况进行计算。

（2）利用MELCOR程序对CFVS的管道、文丘里水洗器、金属纤维过滤器等进行详细建模（见图3），使用第1步计算得到的CFVS上游控制体的压力、温度、气体组分等变化作为边界，以便利用MELCOR程序流道中的SPARC模型模拟排放气体在文丘里内的水洗过程，并计算可能发生的氢气风险。

图3　CFVS模型图

2.2　分析工况

这里选取了典型的严重事故进行分析，包括全厂断电事故（SBO）、大破口事故（LLOCA）、50 mm小破口（SLOCA）和主蒸汽管道破口（MSLB），相关序列和主要系统假设如表1所示。其中对每种事故都分别考虑了CIS有效和CIS失效的情况。计算采用的其他假设如下：

（1）CFVS开启压力为0.7 MPa.a，关闭压力为0.26 MPa.a。

（2）CFVS内部初始充氮气使氧气体积浓度＜4%[10]（计算假设初始氧气体积浓度为4%），压力为0.13 MPa.a。

（3）金属纤维过滤器与烟囱之间的管道上设有爆破膜，爆破膜在CFVS内压力超过0.18 MPa.a时破裂。

表1　选取的计算序列

续表

注：×——设备失效；○——设备有效。

3　计算与结果分析

首先对表1中所列的事故序列进行计算，得到各工况在CFVS开启时其入口隔间的气体浓度（见表2）。由于CFVS开启后，进入CFVS的混合气体中的水蒸气有可能发生冷凝，导致氢气和氧气浓度上升。如果假设被过滤混合气体中所有水蒸气全部冷凝，则可以得到各个工况下CFVS中氢气和空气的最大可能浓度（其中空气浓度根据氧气浓度折算，见表3），由于CIS失效时考虑水蒸气全部冷凝后的空气浓度最大为7.70%（MSLB），低于CFVS内的初始空气浓度19%（对应于CFVS内的初始氧气浓度4%），故以19%作为CIS失效时的最大可能空气浓度。可以看出CIS有效时氢气最大可能浓度为3.86%（MSLB），低于氢气燃烧的氢气浓度下限（约4%）；而CIS失效时空气最大可能浓度为19%，低于氢气燃烧的空气浓度下限（约23%）。图4给出了各工况CFVS中的最大可能氢气和空气浓度在夏皮罗图中的分布，可以看到所有工况的大气状态在夏皮罗图中都处于不可燃区域。

表2　各工况CFVS入口隔间气体组成（CFVS开启时刻）

表3　各工况CFVS内氢气和空气最大可能浓度

图4　各工况CFVS中氢气和空气最大可能浓度的分布

图5和图6分别给出了MSLB事故CIS有效时CFVS各部分的氢气浓度和CIS失效时CFVS各部分的氧气浓度。从图5中可以看到，CIS有效时混合气体进入CFVS后，首先受到管道冷却，部分水蒸气冷凝，氢气和氧气浓度有所增加，但最大的变化发生在文丘里水洗器中。计算显示CIS有效时CFVS在101 748 s开启，101 790 s在文丘里内达到最大氢气浓度3.79%，低于前述的最大可能氢气浓度（3.86%）。而CIS失效时由于排放气体中的氧气浓度低于CFVS中的初始氧气浓度，所以随着排放气体进入，CFVS内各部分的氧气浓度逐渐降低（见图6）。CFVS在193 230 s开启，CFVS内氧气浓度从初始的4%逐渐降至与排放气体相同（如图6中管道1～管道5），冷凝后的氧气浓度在约1.6%左右（193 300 s），也未超过初始氧气浓度4%（即前述最大可能空气浓度19%）。因此，CFVS内不会发生氢气燃烧或爆炸。

图5　MSLB事故CIS有效时CFVS各部分的氢气浓度

图6　MSLB事故CIS失效时CFVS各部分的氧气浓度

4　缓解措施的影响

4.1　氢气复合器

布置在安全壳内的氢气复合器（PAR）通过2个方面降低CFVS内的氢气风险，一方面是产氢较少时，通过氢氧复合限制进入CFVS的氢气浓度；另一方面是在产氢较多时，通过氢氧复合限制进入CFVS的氧气浓度。上面的分析已经表明冷凝导致的氢气和氧气浓度最大变化发生在CFVS的文丘里水洗器中，因此图7和图8分别给出了MSLB事故CIS有效和CIS失效情况下有无PAR时文丘里水洗器中的气体组分夏皮罗图（有氮气覆盖），从图中可以看出无PAR时其气体组分在夏皮罗图中进入了快燃区，甚至是燃爆区，即未布置氢气复合器时CFVS内存在氢气燃烧或燃爆风险。

图7　有无PAR时文丘里水洗器内的气体组分夏皮罗图（MSLB事故CIS有效）

图8　有无PAR时文丘里水洗器内的气体组分夏皮罗图（MSLB事故CIS失效）

4.2　氮气覆盖

通过氮气覆盖CFVS的管道可以避免排放的混合气体与空气中的氧气直接接触。计算针对CFVS在安全壳至文丘里之间的管道未实施氮气覆盖的情况（有PAR）。考虑到氧气不足出现在CIS失效的情况下，故通过MSLB事故CIS失效工况对上述情况进行了分析，结果显示未实施氮气覆盖的工况，排放气体进入CFVS与空气接触后，文丘里水洗器内的混合气体组分在夏皮罗图中进入了快燃区（见图9），即未实施氮气覆盖时CFVS内存在氢气燃烧风险。

图9　有无实施氮气覆盖时文丘里水洗器内的气体组分夏皮罗图（MSLB事故CIS失效）

5　结论

本文对HPR1000核电站严重事故情况下CFVS内的氢气风险进行了分析，结果表明：

（1）在实施氮气覆盖的情况下，在安全壳内布置氢气复合器可以限制混合气体进入CFVS后发生冷凝可能导致的最大氢气或空气浓度。在CIS有效的情况下，CFVS开启时大部分的氢气被复合，进入CFVS的混合气体在发生冷凝后氢气浓度不会超过氢气燃烧的氢气浓度下限；而在CIS失效的情况下，CFVS开启时大部分的氧气被复合反应消耗掉，进入CFVS的混合气体在发生冷凝后空气浓度也不会超过氢气燃烧的空气浓度下限。

（2）在布置PAR的情况下，通过氮气覆盖CFVS的管道可以避免混合气体与空气中的氧气直接接触，从而避免外部因素导致混合气体中的空气浓度增加产生的氢气燃烧风险。

因此，HPR1000核电站在采用了上述2种缓解措施后，其安全壳过滤排放系统内部不会发生氢气燃烧或爆炸风险。

［1］ 杨军，杨晔，隋增光．核电厂安全壳过滤排放系统［J］．科技导报，2017，35（13）：14-17.

［2］ Lee Sang-Won，Hong Tae-Hyub，Choi Yu-Jung，et al.Containment Depressurization Capabilities of Filtered Venting System in 1 000 MWe PWR with Large Dry Containment［J］．Science and Technology of Nuclear Installations，2014：1-10.

［3］ Z.Xu，T.Jordan.Hydrogen risk analysis for a generic nuclear containment ventilation system［J］．International journal of hydrogen energy，2017，42（11）：7467-7473.

［4］ Zhanjie Xu，Thomas Jordan.GASFLOW simulations for containment venting system of Emsland Nuclear Power Plant［R］．Karlsruhe，Germany：KIT Scientific Publishing，2015.

［5］ Armando Miguel Gómez-Torres，Eduardo Sáinz-Mejía，Eduardo，José Vicente Xolocostli-Munguía，et al.CFD analysis of hydrogen volumetric concentrations in a Hard Venting Containment System of a Mark II BWR［J］．Annals of nuclear energy，2015，85：552-565.

［6］ Young Su Na，Kwang Soon Ha，Song-Won Cho.Hydrogen risk in the Containment Filtered Venting System［R］．Korea：Korean Nuclear Society，2015.

［7］ Young Su Na，Song-Won Cho，Kwang Soon Ha.The Hydrogen Issue in the Initial Operation of a Filtered Containment Venting System［J］．Nuclear Technology，2016，195（3）：329-334.

［8］ Kim Hoe-Yeol，Jerng Dong-Wook，Lee Eun-Hye.Investigations on the Hydrogen Risk in the Filtered Containment Venting System Using MELCOR［J］．Transactions of the American nuclear society，2018，118（JUN.）：1268-1270.

［9］ Choi Gi Hyeon，Hwang Ji-Hwan，Kim Tae Woon，et al.A Study on Hydrogen Explosion Possibility in the Containment Filtered Venting System During Severe Accident［J/OL］．Korea：Korean Nuclear Society，2020［2021-01-07］．https：//journal-home.s3.ap-northeast-2. amazonaws.com/site/kns2020spring/presentation/20S-427.pdf.

［10］ 唐琪，王立峰．安全壳过滤排放系统8EUF存在的安全隐患和应对措施［J］．中国核科学技术进展报告，2015，4：108-112.

Hydrogen Risk Study for Internal of Containment Filtered Venting System

ZHOU Zhe1，CAI Mengli1，DING Chao2,*

（1. Reactor Engineering Department，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100840，China；2. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100082，China）

The containment filtered venting system（CFVS）is used to depressurize the containment by venting the containment atmosphere under severe accident conditions.The steam of vent atmosphere will condensate across the CFVS’s pipe and vessel，which will lead the concentration rise of H2and O2，and the possible hydrogen combustion or explosion.In order to evaluate the hydrogen risk in the containment filtered venting system of HPR1000，the reactor and containment model and the detailed CFVS model were established.The typical severe accident sequences were selected to calculate the process of CFVS opening and the mixed gases entering CFVS with their concentrations changing after accident occurred，and the hydrogen risk in CFVS was judged according to the Shapiro diagram of the gases composition in it.It calculated the concentrations variation of different containment atmosphere composition after entering the CFVS under the cavity injection cooling system（CIS）available or failed conditions.The calculation showed that the hydrogen in the mixture gases was mostly recombined under the former condition，as well as the oxygen in the mixture gases was depleted by the recombination reaction under the latter condition at the CFVS opening time，so combustion or explosion would not occur under both conditions.The calculation also analyzed the effects of two mitigation measures，i.e.hydrogen recombiners arranged in containment and the nitrogen covering the CFVS.The results showed that without the mitigation measures，the gases composition in CFVS enter the combustion or detonation zone in Shapiro diagram.The research indicated that the risk of hydrogen detonation will not occur in the CFVS of HPR1000，which had the above two mitigation measures applied.

HPR1000；Filtered venting system；Hydrogen risk；Shapiro diagram

TL48

A

0528-0918（2022）01-0192-07

2021-02-18

周 喆（1984—），男，浙江诸暨人，高级工程师，硕士，现主要从事反应堆热工水力与安全研究

丁 超，E-mail：dingchao@chinansc.cn